在排水事件期间采集农业沟渠中流量加权的水样及悬浮颗粒物

摘要

以颗粒形式存在的养分在农业排水水中可能对总负荷产生显著贡献。本研究描述了一种新方法，可在整个排水事件期间采集来自农田渠道排水的流量加权水样及悬浮颗粒物。

摘要

本研究旨在描述在排水过程中从农田渠系中采集流量加权水样及悬浮颗粒物的方法。农田渠系中的养分（如磷（P））含量可能较高，且易于发生迁移。以悬浮颗粒物形式存在的磷可显著贡献排水水中总磷负荷。为在独立的排水事件期间收集悬浮颗粒物，开展了一项沉降箱实验。在整个排水事件持续期间，将农田渠系排出的水样连续收集至两个200 L的沉降箱中，以代表排放水体的一个复合子样本。最终使用伊姆霍夫沉降锥使悬浮颗粒物沉降。该过程通过从沉降箱经由沉降锥虹吸水样来实现。随后收集沉降的颗粒物用于理化分析。

引言

由于悬浮颗粒物在富营养化过程中的作用，特别是在农业系统中的影响，其归趋与迁移已受到大量研究的关注^1,2。要深入探讨诸多环境问题，例如营养物质在水体中的内循环及其向表层水体的释放³、底质稳定性、水柱内的光照可利用性，以及最终对下游生态系统造成的水质问题⁴，必须对水生系统中颗粒物所含营养物质进行全面评估。以颗粒态形式（有机质或沉积物）储存的磷（P）含量通常高于水体中的含量⁵。Kenney et al.⁶ 开展的一项研究表明，沉积于佛罗里达州洛赫卢萨湖的近期沉积物年代介于1900年至2006年之间，这些较新的沉积物中磷含量约为水体中磷含量的55倍。评估颗粒物对特定系统潜在影响的一种方法是，定量清查排水事件中随沉积物排出的磷储量。对这些排放颗粒物的采集与分析有助于估算其对下游敏感生态系统的营养富集影响。

暴雨事件通常只占很短的时间，但却可能贡献农田排水中大部分的磷（P）负荷排放。这是因为在短时间内需要排出大量水分，以防止田地发生洪涝。降雨强度和流量是控制地表径流中悬浮沉积物浓度的关键驱动因素⁷。设计能够采集流量加权综合水样的监测方法，有助于避免因复杂且高强度降雨事件带来的误差。在暴雨等高流量排放事件期间，污染物浓度可能迅速且剧烈变化，此时瞬时浓度未必能代表单位排水量的平均污染物浓度。因此，流量加权水样能更准确地反映排放事件的总体浓度水平，因为它是在一段时间内负荷的累积值⁸。最常见的流量加权样品为自动采集的离散样品或综合样品。通过采集排放期间从农田排水中输出的悬浮颗粒物，可量化该事件对磷负荷的影响程度。本研究所述方法有助于捕获可在后续用于分析多种物理和化学特性的颗粒物。与瞬时采样相比，采用连续综合流量法对排水进行采样的创新之处在于，它能更全面地反映整个排水事件期间的田间实际情况；而瞬时采样仅提供某一时间点的“快照”，可能无法充分代表整个事件的总体影响。

美国佛罗里达州南部的埃弗格莱兹农业区（EAA）是原埃弗格莱兹湿地的一片广阔区域，曾被渠化并排水，用于农业、商业和住宅开发。该区域排水量近11亿立方米，每年携带约1,400公吨总磷进入周边受纳水体。为应对这一问题，已建立多个大型湿地处理系统，其中最著名的是位于EAA北部边缘、面积达6,200公顷的湿地营养物去除项目（Stormwater Treatment Areas，STA）。本研究在STA-1 West开展，该区域由三个独立的处理单元（cell）组成。研究目标是评估不同水文和植被管理策略对营养物去除效率的影响。实验设计包括三个处理：常规管理（对照）、高水位脉冲式淹没（模拟自然水文条件）和低水位干湿交替（促进沉积物氧化）。每个处理设三个重复，共九个单元。监测参数包括进水与出水中的总磷、溶解性活性磷、总氮、硝态氮、铵态氮浓度，以及沉积物磷负荷、植物生物量和物种组成。水样采集频率为每月一次，植物采样每季度一次。总磷和总氮采用过硫酸钾消解法测定，溶解性活性磷通过钼蓝比色法分析。沉积物样品经冷冻干燥、研磨后，采用HCl-过硫酸钾提取法测定可交换态磷和钙结合态磷。植物样品经烘干、称重后，进行酸消解并使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定磷含量。数据分析采用重复测量方差分析（RM-ANOVA）和主成分分析（PCA）。结果显示，高水位脉冲处理单元的总磷去除率显著高于对照组（p < 0.05），平均去除效率达78%；而干湿交替处理单元的磷去除效率较低（52%），但氮去除率较高，可能与反硝化作用增强有关。植被调查表明，高水位条件下香蒲（Typha domingensis）优势度上升，而莎草（Cladium jamaicense）在对照和干湿交替处理中占主导。研究结果表明，模拟自然水文脉冲的管理策略可显著提升STA系统的磷去除能力，建议在实际运行中结合水位调控与植被管理以优化处理性能。 关键词：湿地处理系统，营养物去除，总磷，水文管理，植被动态，埃弗格莱兹农业区，水样分析，沉积物磷，植物生物量，ICP-OES³ 每年有大量水从农业区（EAA）向南和东南方向排放⁹. EAA地区的土壤为有机土，通常按重量计含有超过85%的有机质，矿物含量低于35%¹⁰。河道沉积物通常具有较低的容重（介于0.14 g cm⁻³之间）^-3 至 0.35 g/cm^-3），高有机质含量（31–35%）以及总磷（TP）含量介于726–1,089 mg kg之间^{-1 11}.

为本次演示目的，选择了一个位于EAA区域内的农场。EAA区域内水流的水文格局取决于泵站和重力作用。EAA中的每个农场至少包含一条主干渠和多条田间排水沟。田间排水沟与主干渠呈垂直走向。泵站通常具有双重功能：既向农场输送灌溉用水，也负责将排水从场地外排。当需要排干田间水分时，主干渠中的水位被降低，田间水在水力梯度驱动下流入排水沟。由于地表坡度极小，大部分降落在田间的雨水会穿过土壤剖面，流向田间排水沟。  灌溉时，系统运行方向相反。EAA区域内没有铺设地下陶土排水管网。由于土壤下方存在一层限制性的石灰岩基岩，地下水位得以维持在特定高度。  灌溉水通过主干渠引入，田间排水沟被注满，水分逐渐渗入土壤剖面，从而提升田间的地下水位。通常情况下，EAA区域对灌溉用水的需求集中在3月、4月和5月（旱季），此时排水量极小；而相比之下，6月至10月（雨季）的排水量显著增加。田间排水沟及其渠岸堤埂的存在，使得地表径流作为磷负荷进入农场渠系的潜在贡献降至最低¹²。

在本可视化实验中，我们介绍了一种在排水事件期间采集流加权悬浮颗粒物的新方法，所采集的样品后续可用于理化性质表征，如容重、有机质含量以及磷形态分级^13,14。

方案

1. 数据记录仪的安装与工作原理

1. 确定一个研究农场，并安装数据记录仪，该记录仪根据流量比例触发自动采样器采集复合流量样本，此过程需要监测渠道水位、水泵扬程转数及水泵校准方程。

图1： ISCO 采样器用于设定复合排水和颗粒物水样的自动采样程序。 请点击此处查看此图的放大版本。

3. 使用安装在泵站附近进水和出水渠中的压力传感器监测农场渠道水位。
4. 使用安装在泵头上的接近开关监测泵的转速；数据记录仪以每分钟转数（rpm）记录转速。
   注：接近开关是当相互通过时可计数 rpm 数量的金属部件，已焊接在泵头上。
5. 使用连接至数据记录仪的翻斗式雨量计测量降雨量。
   注：数据记录仪通过无线电遥测技术与位于 UF/IFAS 湿地研究与教育中心的基站进行通信。遥测功能并非用于控制采样，仅用于数据采集和存储。

2. 排水流量加权水样采集

1. 使用数据记录仪和每台泵的泵校准方程计算排水流量。当达到预设的触发电排水体积后，数据记录仪启动自动采样器，实现基于排水流量加权的采样。
   注意：泵的转速和流速在24小时内会发生变化。ISCO采样器的启动依据是排出的水体积，而非流速。自动采样器被设定为在达到固定体积的出水后采集一个子样品。出水体积根据泵的转数（rpm）进行校准。
2. 使用一个复合采样器采集混合水样（至少500 mL） 原位 位于泵站的自动采样器，并设置为在排水事件期间采集每日综合水样。
   注意：ISCO 采样器通过管路连接至收集罐，并经由数据记录仪分流，每 2 分钟采集 2 L 样品，最多可采集 400 L。
3. 设定程序采样触发体积，以确保在24小时排放周期内最多采集30个样品。
   1. 将数据记录仪设置为采集复合流量样品，步骤如下：进入程序 → 程序 → 基于流量的采样 → 每1个脉冲采样一次 → 采集30个复合样品 → 每次采样体积为130 mL → 校准采样体积［否］ → 输入启动时间［否］ → 程序序列完成。
4. 将流量加权的混合样品存放在现场冰箱中，温度为 4 °C，直至收集完毕，然后置于装有冰块的冷藏箱中运回实验室进行分析。
5. 在采样后24小时内分析水样中的可溶性活性磷。用于总磷（TP）分析的样品可经酸化后于4 °C保存，最长保存28天。¹⁵.

3. 捕获悬浮颗粒物

1. 在排水期间，串联设置两个200 L的PVC沉淀槽，用于收集农田渠系排放水，以捕获并表征其中的悬浮颗粒物。
   1. 按照以下步骤对数据记录仪进行编程，以采集悬浮颗粒物样品：程序 → 基于时间的采样 → 每2分钟采样一次 → 混合样品 [200] → 校准采样体积 [否] → 输入开始时间 [否] → 序列完成 → 按下采样按钮。
2. 根据24小时收集周期内的排水体积，在沉淀槽中按流量加权方式收集排水水样（每2分钟收集2 L）。

图 2： 两个用于收集排水的 200 L 储水罐。 悬浮颗粒在罐底沉降，并用五加仑桶进行转移。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 当颗粒物开始在容器中沉降时，使用软管虹吸去除多余的水。
4. 将颗粒物转移至五加仑的桶中，运回实验室，并置于4 °C冰箱中保存。
5. 沉降24小时后，虹吸去除多余的水，并将颗粒物转移至伊弗霍夫（Imhoff）沉降锥中。
6. 至少沉降1小时后，在将已沉降的颗粒物转移至预先称重的500 mL螺口瓶并置于4 °C保存前，最后一次虹吸去除多余的水。
7. 称量装有颗粒物样品的瓶子。
8. 按照Hedley和Stewart¹⁴所述方法进行磷形态分级分析。

图3： 用于收集沉淀池中截留的悬浮颗粒物的伊莫霍夫沉降锥。请点击此处查看该图的放大版本。

结果

本研究中描述的方法使我们能够采集农场沟渠在抽水过程中排放的水和颗粒物。所收集的水和颗粒物为流量加权型，这意味着它们能够代表整个抽水过程期间的排放情况，而不仅仅是一次瞬时采样，因此能高度真实地反映所排放物质的类型。采集的水样和悬浮颗粒物可储存起来，用于分析多种物理和化学参数。本文总结了美国甘蔗种植区（EAA）内三个农场沟渠中悬浮颗粒物的部分特性。对这些颗粒物的一些理化分析表明，其有机质含量高、容重低，并富含磷等养分¹¹。颗粒物的容重范围为0.08 g cm^-3至0.11 g cm^-3，有机质含量介于55%至77%之间，总磷（TP）浓度范围为2,173 mg kg^-1至2,548 mg kg^-1（图4）。农场沟渠中水体和悬浮沉积物的质量高度反映了当地土壤类型及周边土地利用方式的特点。在EAA地区，土壤本身有机质含量很高，有机质（OM）占比超过>50%，因此悬浮颗粒物中含有较高比...

讨论

用于收集排水中颗粒物的自动采样器被放置在出口泵站数据记录仪附近。电源由12 V蓄电池提供，蓄电池通过太阳能板充电。自动采样器由现场数据记录仪控制，当出口泵运行时启动采样器，泵停止时则关闭采样器。采样器进水口管路的开口位于渠底上方0.5 m处，并处于泵站的来水方向。进水管道通过将金属钢筋插入渠底，并用扎带将进水管固定在钢筋上来固定位置。每3分钟向200 L的沉降罐中收集2 L样品，样品每日采集。在野外，使用便携式抽吸泵从桶中移除大部分采集的水样，剩余的水和沉积物被转移到带盖的26 L桶中，运回研究站并放入冰箱冷藏。次日，使用实验室抽吸泵进一步去除多余水分。

在虹吸颗粒物时，应尽量避免移除悬浮颗粒，这一点非常重要。为此，可在软管末端连接一个移液枪头，并注意使枪头保持在水体表面附近。样品储存时残留少量多余水分是正常现象。了解样品的含水量可估算其干重当量，而记录所有容器在装有样品及提取剂前后以及不含有样品和提取剂时的质量，将有助于追踪实验操作的准确性。

使用该方法收集排水的独特之处在于，它能够采集到流量加权的排水，而非瞬时取样。流量加...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
数据记录仪	Campbell Scientific		型号 CR1000
自动采样器	ISCO		型号 3700
压力传感器	KPSI		型号 700
翻斗式雨量计	Texas Electronics		型号 TR-525
氯化钾	Fisher	7447-40-7
氢氧化钠	Fisher	1310-73-2
盐酸	Fisher	7647-01-0
硫酸	Fisher	7664-93-9
过硫酸钾	Fisher	7727-21-1
四水合钼酸铵	Fisher	12054-85-2
L-抗坏血酸	Fisher	50-81-7
100 mg/L 无水磷酸盐标准溶液	ERA	061
酒石酸锑钾三水合物	Fisher	28300-74-5
Durapore 膜滤器	Millipore	HVLP04700
Whatman #41 滤纸	Whatman	1441-150
固定速度往复摇床 E6010	Eberbach Corporation	E6010.00
一次性培养管	Fisher	14-961-29
Allegra 25R 离心机	Becker Coulter	U.S. 605168-AC
Parafilm 封口膜	Bemis Company Inc PM 999	13-374-12
橡树岭离心管	Nalgene	3119-0050
Fisherbrand 20 mL HDPE 闪烁瓶（带尿素盖）	Fisher	03-337-23C
Fisherbrand 天然聚丙烯广口瓶（带白色未衬里聚丙烯盖）	Fisher	02-912-024A
0.45 微米膜滤器	Cole-Parmer	货号 # UX-15945-25
100 mL 消解管	Fisher	TC1000-0735
玻璃漏斗	Fisher	03-865
Spectronic 20 Genesys 分光光度计	Thermo-Fisher	4001-000
QuikChem	Latchat	8500